四履带搜救机器人机械结构设计—行星减速器设计

河南理工大学万方科技学院毕业论文摘 要自然灾害，尤其是煤矿瓦斯煤尘爆炸事故发生后,矿井环境十分复杂,井下人员面临极其危险的状况,需尽快地转移与救护；而搜救工作异常困难和危险,往往在救援工作中造成救护人员的伤亡。研发代替或部分代替救护人员及时、快速深入矿井灾区进行环境探测和搜救工作的救灾机器人具有极其重要的意义。本论文研究工作的目的是设计结构新颖、具有独立可操作性的、抗击一定冲击和越障能力的履带式移动机器人，以适应在复杂环境和崎岖路况下工作。本研究意义在于为后续设计的搜救机器人提供一个基础的动力平台，以便于能够开发出更多使用功能的搜救机器人，特别是提供一个坚实的移动平台，搭载一些搜救设备，为井上人员提供救援信息，设计合理救援方案，缩短救援时间，减少伤亡。本设计的搜救机器人移动方案是履带式驱动结构。该方案采用模块化设计，便于拆卸维修，可以分段自适应复杂路面，并可主动控制两侧翼板模块的转动来调节机器人姿态变化，辅助爬坡、越障和跨沟；机器人经过合理的结构布局和设计后具有良好的环境适应能力、机动能力并能抵抗一定高度的掉落冲击。所设计的机器人移动机构主要由四部分组成：主动轮减速驱动机构、翼板转动机构、自适应路面执行机构、履带及履带轮运动机构。对此设计作部件的设计，以及强度校核，最后形成设计理念。关键字：搜救机器人；复合移动机构；模块化设计；河南理工大学万方科技学院毕业论文AbstractNatural disasters, particularly coal gas coal-dust explosion accident happens, the mine environment is very complex, miners face extremely dangerous situation, it is necessary to transfer and ambulance as soon as possible; And search and rescue work more difficult and dangerous, often in the relief work by ambulance staff casualties. Research and development instead of or part of the rescue personnel to replace mine disaster area, rapidly environmental detection and search and rescue work of the rescue robot has very important significance.This paper studies the purpose of the work is the design of novel structure, has an independent class of operation, resistance to certain impact and the obstacles of the ability to track mobile robot, and to adapt to the complex environment and rugged work conditions. This research significance lies in the design for the follow-up of the search and rescue robot provide a fundamental dynamic platform, in order to be able to develop more function of search and rescue robot, especially to provide a solid mobile platform, playing in some search and rescue equipment, to provide relief information inoue, reasonable design rescue plan, shorten the rescue time, reduce casualties.We design the mobile search and rescue robot scheme is crawler drive structure. The scheme adopts the modular design, easy to remove the maintenance, can block the adaptive complex pavement, and to control the rotation of the two flanks board module to adjust the robot attitude change, auxiliary climbing, the disabled and across the 河南理工大学万方科技学院毕业论文channel; Robot after reasonable structure layout and design with good ability to adapt to the environment, mobility and resistant to a certain degree drop impact. The mobile mechanism of the robot design mainly consists of four parts: active pinwheel reducer drive mechanism, wing turn institutions, adaptive pavement actuators, caterpillar and track the movement institutions. We are for parts design of design, and intensity, the final shape design theory.Key words: search and rescue robots; composite mobile body; modular design 河南理工大学万方科技学院毕业论文河南理工大学万方科技学院毕业论文1目录前 言 .11 绪 论 .31.1 课题研究背景及意义 .31.1.1 课题研 究背景 .31.1.2 课题研究意义 .41.2 国内外的研究概况 .61.2.1 国外研究现状 .61.2.2 国内研究现状 .81.2.3 发展趋势 .92 搜救机器人的总体结构方案设计 .132.1 井下复杂环境对救灾机器人的要求 .132.2 典型移动机构方案论证分析 .142.2.1 轮式移动机构特点 .142.2.2 腿式移动机构特点 .152.2.3 履带式移动机构特点 .162.2.4 履、腿式移动机构特点 .172.2.5 轮、履、腿式移动机构性能比较 .182.3 研究设计采用的行走机构 .182.4 救灾机器人性能指标与设计 .192.5 本章小结 .213 搜救机器人运动参数设计计算 .223.1 搜救机器人越障分析 .223.1.1 搜救机器人跨越台阶 .22河南理工大学万方科技学院毕业论文23.1.2 搜救机器人跨越沟槽 .243.2 搜救机器人斜坡运动分析 .253.3 本章小结 .264 驱动 电机的选则 .264.1 基于平地的最大速度的电机功率计算 .264.2 爬坡最大坡度的驱动电机功率计算 .274.3 本章小结 .285 驱动轮减速器设计 .305.1 减速器方案分析 .305.1.1 减速器应满足的要求 .305.1.2 减速器方案分析 .305.2 减速器的设计计算 .325.2.1 减速器的传动方案分析 .325.2.2 配齿计算 .325.2.3 初步计算齿轮的主要参数 .335.2.4 装配条件的计算 .385.2.5 高速级齿轮强度的验算 .395.2.6 轴的设计及校核 .485.3 本章小结 .516 移 动机构履带及翼板部分设计 .526.1.1 确定带的型号和节距 .536.1.2 确定主从动轮直径 .546.2 翼板部分设计 .546.3 摆臂作用概述 .55致 谢 .58河南理工大学万方科技学院毕业论文3前 言在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70% 左右，预计到2050年还将占50%以上，因此，在未来相当长的时间内，煤炭仍然是我国的主要能源，由于我国矿井自然条件差，加上技术和管理等诸多方面不到位，以及近年来国家对煤炭资源需求量的不断增长，使得我国煤矿矿井灾害事故频繁发生，人员伤亡十分惨重。据统计，2006年我国矿难死亡1517人，百万吨死亡率为2.00；2007年全国矿难死亡1600人，百万吨死亡率为2.1；2008年全国煤矿发生伤亡事故1341 起，死亡1389人，百万吨死亡率约为1.84，其中一次死亡39人的重大事故110起，死亡886人。2009年全国安全生产数据显示2009全国共发生一次死亡10 人以上的特大事故 61起：死亡717人，其中煤矿企业特大事故共发生18起,死亡330人，死亡人数仍高居各类安全事故之首。2010年全国煤矿安全生产形势依然严峻，目前我国煤矿事故死亡人数远远超过世界其他产煤国家煤矿死亡人数的总和，约占世界矿难人数的80%，百万吨死亡率是美国的100倍、南非的30倍。每年上百次的事故发生，成千人的矿工死亡，煤矿安全形势已经十分严峻。矿井瓦斯爆炸一旦发生，因受高温、烟雾、有害气体和缺氧等影响，以及存在发生二次灾害的可能，救护人员无法知道能否进入或无法直接进入灾害现场执行营救任务，上述事故中的伤亡人员有相当一部分是救护人员，如陕西黄陵矿业公司一号煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，2名救护队员在井下不慎滑倒，将呼吸机鼻夹摔脱落，导致一氧化碳中毒死亡；2005年渑池县赵沟八矿井河南理工大学万方科技学院毕业论文4下突然起火，三门峡市矿山救护队接报后立即赶到现场救灾，在救火过程中，突发瓦斯爆炸，4名救护队员殉职；2006年六枝工矿集团公司救护大队的救护队员在井下实施封闭火区措施时，火区发生瓦斯爆炸，造成8名救护队员死亡。由此可见研发代替或部分代替救护人员的救灾机器人及时、快速深入矿井灾区进行环境探测和搜救工作具有极其重要的意义。在救援初期，其主要作用是代替矿山救护人员进入灾区，进行环境探测，并将采集的数据发送至救援指挥中心，这些环境信息主要包括瓦斯、CO、氧气的浓度、环境温度、湿度与粉尘情况以及灾区的通风状况的参数，还应包括生命和图像等信息，为救灾决策提供重要参考。河南理工大学万方科技学院毕业论文51 绪 论 1.1 课题研究背景及意义1.1.1 课题研究背景地震、火灾、矿难等灾难发生后,在废墟中搜寻幸存者,给予必要的医疗救助,并尽快救被困者是救援人员面临的紧迫任务。实际经验表明,超过48 小时后被困在废墟中的幸存者存活的概率变得越来越低。由于灾难现场情况复杂,在救援人员自身安全得不到保证的情况下是很难进入现场开展救援工作的,此外,废墟中形成的狭小空间使搜救人员甚至搜救犬也无法进入。灾难搜救机器人可以很好地解决上述问题。机器人可以在灾难发生后第一时间进入灾难现场寻找幸存者,对被困人员提供基本的医疗救助服务,进入救援人员无法进入的现场搜集有关信息并反馈给救援指挥中心等。近年来,为了满足救援工作的需要,国内外很多研究机构开展了大量的研究工作,可在灾难现场废墟中狭小空间内搜寻的各类机器人如可变形多态机器人、蛇形机器人等相继被开发出来。本文在介绍国内外灾难搜救机器人最新研究成果及近年来灾难现场的实际使用情况的基础上,根据现场使用的经验教训提出了灾难救援机器人需要解决的一些关键技术问题 ，指出了灾难救援机器人的发展趋势。本文提出的便携式救灾机器人是一种质量轻，易于单个救援人员背负，具有多种运动姿态和抗摔能力，采用履带方式行进河南理工大学万方科技学院毕业论文6的微小型机器人系统。能够适应矿井恶劣的灾后环境，对非结构的地形环境具有良好的自适应能力，具备较好的越障能力和一定高度的抗摔能力。机器人可通过无线电信号进行远程控制，并能够加载各种侦测设备对未知环境进行先期探测并回传井巷环境信息，为及时有效的救灾提供决策参考。1.1.2 课题研究意义我国煤炭资源丰富，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的一半以上，在未来相当长的时间内，煤炭仍然是我国的主要能源，由于我国矿井自然条件差，加上技术和管理等诸多方面不到位，以及近年来国家对煤炭资源需求量的不断增长，使得我国煤矿矿井灾害事故频繁发生，人员伤亡十分惨重。据统计，2006年我国矿难死亡1517人，百万吨死亡率为2.00；2007年全国矿难死亡1600人，百万吨死亡率为2.1；2008年全国煤矿发生伤亡事故1341 起